E o mouse óptico, como é por dentro?

E o mouse óptico, como é por dentro?

14/03/2018

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  Com certeza o mouse óptico foi uma grande invenção do ser humano. Mas como ele funciona? como ele é por dentro? Estas e outras informações são detalhadas neste texto!

  O mouse foi criado em 1952 no Canadá para fins militares, foi aperfeiçoado nos anos 60 pelo engenheiro eletricista Douglas Engelbart, e em 1999 a Microsoft lança o primeiro mouse óptico do mundo. E é este último que vamos estudar!

  O mouse é um dispositivo composto por um LED (Light Emitting Diode), normalmente de cor vermelha e um fotodiodo. O LED gera a luminosidade necessária para a matriz de fotodiodos captar imagens da superfície. Mas não é só isso! Nos mouses USB ou PS/2 mais comuns há um circuito com o controlador do sensor óptico, do LED, dos botões e ainda a interface de comunicação com o computador.

  Os mouses mais modernos integram um SoC com arquitetura ARM de 32 bits, memória, interface USB, Wi-Fi ou Bluetooth e mais botões, LEDs coloridos...

  Para ficar melhor de ter uma ideia de como é um mouse por dentro, selecionei quatro modelos comuns para mostrar o esquema elétrico.

  Um mouse PS/2 da marca Positivo e que já tem em torno de 10 anos, outro mouse Positivo, só que com cabo USB, também com mais ou menos 10 anos, um mouse PS/2 da Coletek que tem aproximadamente 5 anos de uso e outro com USB da marca Satellite que também tem por volta de 5 anos.

Mouse PS/2 Da marca Coletek 

 Mouse PS/2 da marca Positivo

Mouse USB da marca Positivo

 Mouse USB da marca Satellite

 

   Analisando os circuitos podemos ver o chip com o sensor óptico no centro do circuito, o LED, alguns capacitores de Cerâmica e de Óxido de Alumínio (eletrolíticos), resistores, os botões, e o sensor do scroll (a famosa "rodinha" do mouse). Podemos notar também que nos dois modelos da Positivo há um chip denominado "IC2".

 > O sensor óptico: É uma matriz de fotodiodos que recebe a luz e a equivale a uma quantidade de corrente elétrica. O fotodiodo está presente no chip que fica no centro da placa de circuito. Como podemos ver nos dois modelos da Positivo, este chip possui 16 pinos, e no modelo da ColeTek e da Satellite há apenas 14 pinos. Observe a imagem abaixo:

  Este pequeno componente é como se fosse uma rústica câmera de smartphone, com uma resolução muito baixa, isto é, uma matriz de fotodiodos bem pequena, apenas para captar movimentos.

 

OS DOIS MOUSES DA POSITIVO

  O chip utilizado nos modelos da Positivo tem um sensor óptico do tipo CMOS (a tecnologia CMOS merece um artigo dedicado para explicações sobre) são da marca Teleic, modelo OM02, e a pinagem é mostrada abaixo.

  > O pino 1 é para o sinal de sincronismo(clock) no modo de teste;

  > Os pinos 2, 3 , 4 e 5 servem para mandar as coordenadas X e Y para o chip "IC2";

  > O pino 6 é para controle do LED;

  > Os pinos 7 e 8 servem para controle interno de tensão (tensão de referência - eles estão ligados a resistores e capacitores);

  > Os pinos 9 e 11 servem para controlar o oscilador de frequência interna(eles estão ligados a resistores e capacitores);

  > Os pinos 10 e 12 são os polos negativos de energia;

  > O pino 13 é polo positivo de energia (+5 V);

  > O pino 14 é a saída de controle do LED para o "IC2";

  > O pino 15 é para cortar a conexão com o circuito (não é utilizado nos circuitos analisados).

  > O pino 16 serve para testes de funcionamento em conjunto com o pino 1.

 

  OBSERVAÇÃO: Compare a descrição dos pinos com os esquemas elétricos dos dois mouses da marca Positivo, ficará melhor de entender o circuito.

 

O MOUSE DA COLETEK

  No mouse PS/2 da Coletek há um sensor óptico da Elan Microelectronics, modelo OM36FPS. Veja a pinagem abaixo:

 

  > O pino 1 é de entrada/saída de clock da interface PS/2;

  > O pino 2 é de entrada/saída de dados da interface PS/2;

  > O pino 3 é o polo positivo de energia (+5 V);

  > O pino 4 é de referência interna de tensão (+3,3 V) (pino ligado em capacitores);

  > O pino 5 é do botão esquerdo;

  > O pino 6 é do botão do meio;

  > O pino 7 é do botão da esquerda;

  > O pino 8 é o polo negativo de energia;

  > O pino 9 é de referência interna de tensão (+1,8 V) (pino ligado em capacitor);

  > Os pinos 10 e 11 servem para se ligar um cristal de clock para gerar a frequ^Çencia interna (mas pode-se utilizar o clock da interface PS/2 e deixar estes pinos desativados);

  > Os pinos 12 e 13 são do sensor scloll (a "rodinha" do mouse);

  > O pino 14 é para controle do LED.

 

O MOUSE DA SATELLITE

  O mouse USB da marca Satellite possui um fotodiodo da marca Sunplus, modelo SPCP168A, detalhado abaixo:

  > O pino 1, 2 e 14 servem para a entrada de sinal dos botões esquerdo, direito e botão do meio;

  > O pino 3 é para entrada/saída de dados da interface USB ou PS/2

  > O pino 4 é para entrada/saída de clock da interface PS/2;

  > O pino 5 é o polo positivo de energia (+5 V);

  > O pino 6 serve para tensão de referência interna (+2,5 V)(pino ligado a capacitores);

  > O pino 7 serve para tensão de referência interna (+3,3 V)(pino ligado a capacitores);

  > O pino 8 é polo negativo de energia;

  > O pino 9 é para o controle do LED;

  > Os pinos 10 e 11 servem para saída de sinal para os botões esquerdo e direito;

  > Os pinos 12 e 13 são para o botão scroll.

 

  O diagrama interno destes chips não será explicado neste artigo, pois são circuitos mais complexos, possuem MCU, conversor analógico/digital, filtros, sensor CMOS, controladores, memória RAM, memória ROM, enfim, merecem ser detalhados num artigo exclusivo futuramente.

 

  CURIOSIDADE: Nos modelos mais modernos, há um diodo laser infravermelho, capaz de fazer o fotodiodo capturar movimentos com mais precisão.

 

  CURIOSIDADE: Para que o sensor óptico funcione da melhor maneira possível é colocado um material plástico transparente em toda a área do sensor abrangendo até o LED. Observe a imagem abaixo:

  Note esta chapa de plástico marcada com a linha amarela.

  Este material funciona como uma espécie de lente para o fotodiodo e também como um concentrador/difusor da luz emitida pelo LED.

  > O "IC2": Este chip está presente apenas nos modelos mais antigos. Os modelos mais antigos tinham uma pastilha para a interface USB ou PS/2, firmware, ligação com os botões e sensor do scroll, processador e controlador do chip do fotodiodo. Os modelos mais atuais apresentam tudo integrado no chip do fotodiodo. É o caso do modelo da ColeTek e do modelo da Satellite, utilizados como exemplo neste artigo. O nome "IC2" é um nome genérico, que significa "circuito integrado 2" pois o chip não possui marca nem modelo e é fixo na placa com uma camada de epóxi pintada na cor preta.

 

  > O LED: Ele está presente em todos os mouses e como já dito ele serve para fazer a luminosidade necessária para o fotodiodo. Se você trocar o LED do seu mouse por um de outra cor e com especificações diferentes, seu periférico poder ficar mais lento ou até mesmo parar de funcionar. Isso acontece pois, o sensor óptico requer uma determinada luminosidade para capturar movimentos de forma precisa, essa luminosidade varia de modelo para modelo, por isso um LED não original fora da especificação pode fazer com que o mouse não funcione da forma correta. Isto vale para todos os aparelhos eletrônicos: substituir um componente por outro fora das especificações do projeto original pode fazer com que o aparelho pare de funcionar, funcione de forma errada ou gere outros danos ainda maiores.

  Mas por que a maioria dos mouses tem um LED de cor vermelha? A cor vermelha gera uma visibilidade maior para o fotodiodo, pois o comprimento da onda é maior. Isso não significa que outras cores são inferiores. Já vi mouses excelentes com LED azul!

 

  > A conexão USB e PS/2: No cabo USB há 4 fios: um para o polo positivo de energia e outro fio para o polo negativo, já os outros 2 fios ficam para a transferência de dados entre o computador e o mouse.

  Nos mouses PS/2 há os mesmos 4 fios, mas um dos fios de comunicação com o computador serve para transmitir o sinal de clock, para sincronizar os circuitos do mouse. Nos modelos de mouse sem fio há um chip com Wi-Fi ou Bluetooth para fazer a comunicação com o computador. Para conhecer o protocolo e o funcionamento da interface PS/2, CLIQUE AQUI!

 

  CURIOSIDADE: Se você pegar um mouse com conector PS/2 e trocar a ponta do cabo por um conector USB, na maioria dos casos o aparelho não vai mais ser reconhecido pelo computador. Isso acontece também se for feito o contrário. O motivo da incompatibilidade é que, a interface USB do mouse trabalha com o protocolo USB que é completamente diferente do PS/2.

  Essa troca de conectores só funciona (não funciona em muitos casos :v) se houver um adaptador com conversor USB para PS/2 ou vice-versa. Também pode funcionar em alguns modelos que possuem um circuito projetado tanto para interface de comunicação USB quanto PS/2, como é o caso do mouse da marca Satellite que foi analisado neste artigo e que, de acordo com documentos técnicos, o chip SPCP168A do aparelho suporta as duas interfaces.

 

  > Os botões e o sensor do scroll: Os botões estão ligados a energia e deixam passar uma pequena quantidade de energia quando são apertados. O circuito integrado é programado para receber esses sinais e a partir deles mandar um comando para o computador.

  O sensor do scroll do mouse identifica apenas a movimentação do eixo e libera sinais para o circuito integrado que está programado para os entender e a partir disso mandar comandos para o computador. Como foi dito anteriormente, mouses mais modernos possuem outros botões e que podem até ser configurados em alguns modelos.

 

  > Os capacitores e resistores: Como a energia para o funcionamento do circuito depende dos 5 volts vindos do computador pelo cabo USB ou PS/2, os capacitores e resistores "regulam" a tensão e a corrente necessária para funcionamento estável do(s) circuito(s) integrados, botões e o(s) LED(s).

  Você sabia que o mouse também tem resolução? A resolução do mouse é medida em DPI (pontos por polegada) e quanto maior for o DPI, mais sensível a movimentos ele vai ser.

  Uma polegada vale 2,54 cm. Por exemplo, se pegar um mouse com 800 DPI, ao movimentar 2,54 cm em qualquer direção, o cursor, na tela do computador, vai avançar 800 pixels na direção em que ele foi movimentado.

  Em um PC para atividades cotidianas, trabalho ou jogos, um mouse que tenha de 800 a 3.200 DPI já está bom. Lembrando que o DPI alto não significa melhor qualidade do aparelho e nem mais precisão nos movimentos. Um mouse com DPI extremamente alto pode fazer com que um desenho no Paint, por exemplo, fique com as linhas mais "tremidas", já que qualquer movimentação do aparelho vai significar um movimento mais rápido e longo da seta. Lembrando que, a velocidade do movimento na tela também depende da resolução da tela do monitor do computador.

 

  O resolução do sensor óptico do mouse possui outra unidade de medida, que é o CPI (contagem por polegada). Funciona da mesma forma que o DPI. Por exemplo, um fotodiodo com 1000 CPI, significa que a cada movimento com o comprimento de uma polegada, o cursor da tela vai se movimentar 1000 pixels na direção em que o mouse foi movimentado.

  Mas qual o motivo de existirem duas siglas? A fabricante do sensor óptico utiliza uma escala para medir a resolução do fotodiodo e a fabricante do aparelho utiliza outra escala para medir a resolução do mouse. Como as duas unidades de medida são iguais, um mouse bom deve ter uma proporção de 1:1, ou seja, se o fotodiodo possui 1800 CPI, o mouse tem que ter 1800 DPI.

  Algumas fabricantes fazem alterações no firmware do aparelho para que um sensor óptico de baixa resolução possa ser rotulado com uma sensibilidade mais alta, portanto, um mouse com um fotodiodo de 800 CPI pode ter um programa modificado para duplicar a velocidade do movimento do cursor, ou seja, fazendo com que ele tenha 1600 DPI. Essa alteração faz com que se perca precisão nos movimentos.

   Outro fator que influência no desempenho do mouse é o polling rate: o número de vezes por segundo em que o aparelho se comunica com o computador. Este valor é dado em Hertz (unidade de medida de frequência) ou em milissegundos. Esse valor é o atraso em relação ao movimento do mouse e a resposta do computador, que é o movimento do cursor na tela. Isso acontece, pois o mouse deve enviar a posição em que ele está e o computador processar este comando para que ele possa alterar a posição do cursor no ambiente virtual que você está vendo na tela do monitor. Esse atraso é imperceptível, só é levado em conta quando se trata de competições em e-sports, onde não pode haver atrasos na resposta e falta de precisão, pois qualquer erro pode significar a derrota do jogador.

  Um polling rate de 1000 Hertz, significa um atraso de 1 milissegundo. Já um valor de 125 Hz significa um atraso de 8 milissegundos. Os valores mais comuns dos mouses atuais são: 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz e 1000 Hz.

  Mouses sem fio, normalmente possuem um atraso de resposta maior, já que, uma frequência maior significa gastar mais energia da bateria. Isso para usuários comuns não significa nada, mas para usuários gamers pode ser um incômodo, pois como dito acima, os atrasos na resposta podem prejudicar o andamento do jogo.

 

  Por último, vamos falar do LoD: Lift off Distance. Quando você tira o mouse da superfície onde ele está e deixa-o suspenso, o cursor para de se movimentar na tela independente do movimento que você fizer com ele suspenso. Esse alcance do sensor óptico deve ser muito pequeno, para que qualquer levantada que for dada, o mouse pare de captar movimentos e a precisão não seja perdida.

  Levando em conta todos estes fatores, podemos concluir que um mouse com um DPI/CPI e um LoD mais baixo significa mais precisão nos movimentos e um mouse com DPI/CPI e LoD mais alto significa ter uma maior sensibilidade dos movimentos, o que pode prejudicar o uso em algumas aplicações.

 

  Vale ressaltar que, os mouses mais modernos vem com um programa para que possa ser feita alteração no polling rate, no DPI, nos LEDs coloridos e nos botões extras que são programáveis. Alguns já vem com botões para se alterar o DPI e o polling rate.

Na foto ao lado, o "circulo" preto, perto do fotodiodo, onde chegam várias trilhas do circuito, é o "IC2".

 

  De forma resumida o mouse funciona da seguinte forma: o periférico manda as coordenadas dos eixos X e Y para o computador, através do fotodiodo que identifica movimentos tirando várias "fotos" por segundo da superfície. Essas "fotos" são sinais elétricos analógicos que representam a luminosidade que incide no fotodiodo e que são convertidas para sinais digitais através de um conversor A/D e processadas pelos diversos circuitos do chip do fotodiodo. A partir destas fotos que é criado as coordenadas X e Y que são mandadas para o computador via interface USB, PS/2, Wi-Fi ou bluetooth para que o sistema operacional interprete os sinais e posicione o cursor do mouse no monitor.

 

 

  Quando você for comprar um mouse, deve olhar vários fatores: o DPI, o peso do mouse, a superfície em que ele vai ser colocado, para que aplicações o dispositivo vai ser utilizado e a qualidade do equipamento. Tudo isso influencia no desempenho.

  E aí? Gostou do artigo? Tem alguma dúvida, sugestão ou opinião? Curta, comente e compartilhe!

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FONTES e CRÉDITOS:

 

Texto do artigo, esquemas elétricos e fotos: Leonardo Ritter

Fontes: Engenharia reversa em mouses ópticos; TecMundo; Adrenaline; Documentações técnicas.

Algumas documentações técnicas podem ser acessadas através destas URLs:

                       http://www.teleic.com/pdf/om02-spec040210.pdf

                       http://www.datasheetspdf.com/PDF/SPCP168A/788766/4

* As documentações técnicas dos links anexados estão em Inglês.

 

Última atualização: 20 de Julho de 2018.

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